（动力工程及工程热物理专业论文）helmoholtz型无阀自激脉动燃烧器弯尾管传热特性的实验研究.pdf

国内图书分类号：tk124 学校代码：10213 国际图书分类号：621.1.016.4 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 helmoholtz 型无阀自激脉动燃烧器弯尾管 传热特性的实验研究 硕 士 研 究 生：王 飞 导 师：董 芃 教授 申请学位：工学硕士 学科：动力工程及工程热物理 所 在 单 位：能源科学与工程学院 答 辩 日 期：2011 年 7 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 classified index: tk124 u.d.c.: 621.1.016.4 dissertation for the master degree in engineering experimental study on heat transfer characteristics of a valveless self- excited pulse combustor with curved tail pipe of helmholtz-type candidate： wang fei supervisor： prof.dong peng academic degree applied for：master of engineering speciality： thermal energy engineering affiliation： school of energy science and engineering date of defence： july, 2011 degree-conferring-institution：harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘 要 本文所使用的 helmoholtz 型无阀自激脉动燃烧器，省去了传统脉动燃 烧器的单向阀，扩大了负荷的调节范围，并在尾管出口设置了去耦室，消除 了燃烧器运行时尾管出口溢出的声能，减小了噪音的影响，为脉动燃烧器的 大型化利用奠定了基础。脉动燃烧器产生的脉动气流，相比一般的稳态流 动，具有非常高的传热和传质效率。尾管作为脉动燃烧器声学结构的重要组 成部分，具有较大的换热面积，如何合理利尾管的受热面，研究在脉动流动 下尾管的传热特性，是非常有必要的。弯尾管在工程应用中是非常普遍的， 目前对于弯尾管脉动燃烧器运行特性的研究非常少。 本文的主要研究内容是通过对直尾管及不同角度弯尾管脉动燃烧器的实 验研究得到不同尾管结构脉动燃烧器频率、压力特性，通过比较不同结构尾 管脉动燃烧器的换热强度，确定实验条件下换热效果最优的尾管结构及工 况；确定影响尾管传热的因素，根据所得的实验数据，拟合了直尾管传热无 量纲数 nu 的准则方程，给出方程的应用范围，并在直尾管的基础上对弯尾 管的换热进行描述。 实验研究表明：随着弯管弯角的增加，脉动燃烧器的频率不断降低，直 管与 45弯管脉动燃烧器频率及压力特性基本相同，90及 135弯尾管脉动 燃烧器频率明显降低，随过量空气系数及负荷的变化会有频率跳变现象出 现。相对于稳态流动，脉动传热的强化比达到了 38 倍；过量空气系数小 于 1.2 时，直尾管脉动燃烧器的换热最弱；过量空气系数大于 1.2 时，较高 热负荷下，45弯尾管脉动燃烧器的换热强度最高，90及 135弯尾管脉动 燃烧器受频率跳变的影响，传热特性随热负荷变化，在 10kw 左右达到最佳 传热效果。 关键词：脉动燃烧，频率，振幅，nu 数，过量空气系数，传热 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract comparing with the traditional pulse combustor, the valveless self-excited pulse combustor used in this thesis save one way valve, which expands the adjustment range of the load. a decouple is set at the outlet of the tail pipe which eliminates the sound energy overflow from the outlet of the tailpipe. all of those changes lay the foundation for large-scale applications. the pulsating flow generated by the pulse combustor has high heat and mass transfer efficiency. as the important part of acoustic structure of the pulse combustor, the tailpipe has larger heat transfer area. it is necessary to learn how to take full advantage of the heat transfer area and start to do research on heat transfer characteristic of the tailpipe under the action of the pulsating flow. curved tail pipe is widely used in engineer, now, the research on operational characteristics of pulse combustor with curved tail pipe are very little. the main contents of this paper are as follows:get the frequency, pressure characteristics of the pulse combustor with different structures of tailpipe through through the experimental study of pulse conbustor with straight tail pipe different angles of curved tail pipe. determine the best tailpipe structure and working conditions with the best effect of heat transfer under the experimental conditions by comparing heat transfer intensity of the pulse combustors with different tail pipe structure. determine the factors which affect heat transfer characteristic of the tailpipe. determine the straight tailpipes criteria equation of dimensionless number nu according to the experimental data and give the application range of the equation. dicribe heat transfer characteristic of the pulse combustors heat transfer characteristic on the basis of the pulse combustor with straight tail pipe. the combustors frequency gradually reduce with angle of the curved pipe increase, the pulse combustor with straight tailpipe or 45 degree curved tailpipe has the same pressure and frequency characteristic. the pulse combustor with 90 degrees curved tailpipe or 135 degree curved tailpipe has the same pressure and frequency characteristic, as the excess air coefficient and load changes the phenomenon of frequency hopping occurs. comparing with the steady-state flow, 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - the enhancement of heat transfer ratio of the reach 38; the heat transfer ratio of the pulse combustor with straight tail pipe is weakest when the excess air ratio is less than 1.2; as the the excess air ratio larger than 1.2, the pulse combustor with 45 degree curved tailpipe has highest heat transfer efficiency, the pulse combustor with 90 degree or 135 degree curved tailpipe has the best heat transfer efficiency at 10kw load because of the frequency hopping. keywords: pulse combustion, frequency, amplititude, nu number, excess air coefficient, heat transfer. 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 helmholtz 脉动燃烧器简介 . 2 1.3 国外研究现状 . 4 1.3.1 国外研究现状 . 4 1.3.2 国内研究现状 . 8 1.4 课题的主要研究内容 . 10 第 2 章 helmoholtz 型无阀自激脉动燃烧器实验系统与测试方案 . 11 2.1 引言 . 11 2.2 实验台简介 . 11 2.2.1 脉动燃烧器结构 . 11 2.2.2 水冷换热系统 . 13 2.3 实验测试方案 . 16 2.3.1 实验测试系统 . 16 2.3.2 实验工况的确定 . 19 2.4 本章小结 . 20 第 3 章 不同尾管结构脉动燃烧器压力和频率特性 . 21 3.1 引言 . 21 3.2 直尾管脉动燃烧器压力和频率特性 . 21 3.3 弯尾管脉动燃烧器压力和频率特性 . 24 3.4 本章小结 . 29 第 4 章 脉动流动传热特性的研究 . 31 4.1 引言 . 31 4.2 直尾管脉动燃烧器传热特性 . 31 4.2.1 脉动传热系数及流动阻力的计算 . 31 4.2.2 稳态传热系数及流动阻力的计算 . 33 4.2.3 流动传热特性的比较 . 36 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - v - 4.3 弯尾管脉动燃烧器传热特性 . 38 4.4 脉动传热准则方程的确定 . 42 4.4.1 脉动流传热的影响因素 . 42 4.4.2 准则方程形式的确定 . 45 4.4.3 回归模型及评价 . 48 4.5 本章小结 . 54 结 论 . 56 参考文献 . 57 攻读学位期间发表的学术论文 . 61 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 62 致 谢 . 63 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 课题背景 目前我国经济的快速增长是建立在巨大的能耗基础上的，能源能量利用 率低，能源结构简单，污染物排放量多等问题使得我国经济的可持续发展面 临严峻的考验。目前许多新兴的节能技术都存在相应的问题，技术的成熟应 用需要大量的实验及理论上的基础研究，脉动燃烧技术能量利用率高、低排 放的优点，具有广阔的应用前景，目前来说，由于脉动燃烧器的设计及运行 特性还没有统一的标准，大型化应用面临许多的问题。 最初对于脉动燃烧的认识是一种能够给燃烧装置带来破坏的一种剧烈的 不稳定燃烧，由于其能产生较高的能量利用率，后来的学者对其进行了研 究，最终发展为目前应用较为普遍的三种燃烧方式：schimidt 型脉动燃烧 器，helmholtz 脉动燃烧器，rijke 型脉动燃烧器。这三种燃烧方式虽然并不 相同，但产生脉动的机制基本相同。脉动燃烧是在一定的声学结构条件下形 成的压力、速度、热释放等都随时间周期性变化的一种不稳定燃烧过程。 一般来说，脉动燃烧器主要由空气和燃料的进口阀，一个燃烧室以及一 根用来排放高温燃烧产物的共振管（尾管）组成。与稳定燃烧方式相比，脉 动燃烧具有以下几个优点：提高传质传热，增强了燃烧强度，在过量空气较 小的情况下具有较高的能量利用率，污染物排放减少等。脉动燃烧技术的特 点使得许多小型脉动燃烧器广泛应用于各种各样的焚化干燥、传热传质的设 备1。影响脉动燃烧器稳定运行的因素有许多，形成稳定脉动燃烧的燃烧器 结构能够使燃烧过程遵循瑞利准则：燃烧过程的热释放与压力脉动同相位， 使的燃烧震荡过程能够维持住。影响压力脉动与热释放相位的因素主要有， 燃烧室尾管的几何尺寸，带有机械阀的脉动燃烧器需要考虑阀的膜片的特 性、燃气空气的流量、燃气种类等都对脉动燃烧器的运行产生影响2。 可以认为脉动燃烧器作为一个系统整体的运行，是各个组成部件之间以 及其动力特性相互作用、影响的结果。尾管作为脉动燃烧器声学结构的的重 要组成部分，其结构对脉动燃烧器的运行特性有决定性的影响。由于尾管结 构对燃烧器的运行特性会产生影响，尾管的流动与传热状况与燃烧器自身结 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 构有较大关系。目前对于脉动流动的对流传热特性的认识还不全面，大部分 学者认为脉动加强了传热，脉动对传热的加强主要集中在以下几个方面：首 先脉动使得流动在较小雷诺数下变成湍流，加剧了扰动；脉动使得边界层的 剪切力增加，强化了传热，边界层的厚度也受到脉动的影响，脉动剥离了边 界层；脉动流的周期性震荡，提高传热效率3。 脉动燃烧器尾管具有较大的换热面积，相对于稳态流动，在脉动流的作 用下尾管的流动阻力、传热都会发生变化，如何更好利用脉动燃烧器尾管的 受热面，需要对脉动燃烧器进行大量的实验研究，在此基础上归纳总结出脉 动传热的基本规律，对脉动传热机理进行更全面的理解。国内外对脉动加热 炉的已有研究，脉动加热炉与脉动燃烧器相同，具有能量利用率高、换热强 度高、排烟温度低等优点，这些特点使得炉内换热面的布置面积、炉膛体积 都大大降低，节省炉体材料和燃料。另外，在航天热控设计中，应用脉动流 加强换热，加快散热，保证航天器内的元件不至于过热或过冷。目前对于脉 动燃烧器的研究仅限于直尾管结构，对于弯尾管脉动燃烧器的运行特性研究 可以说是空白的，而在工程应用中弯管的使用的非常广泛的，因此对于弯管 脉动燃烧器的实验研究是非常有必要的。 1.2 helmholtz 脉动燃烧器简介 helmholtz 型脉动燃烧器是根据 helmholtz 谐振腔的原理工作的，两者在 运行上有许多类似的地方。当连续流动流体经过谐振腔后，会变成一定频率 的流动。 当射流在谐振腔内流动时，射流中一定频率的涡量扰动得到放大，在下 游与壁面碰撞后，产生一定的压力扰动波，向上游传播，当扰动与上游分离 区的扰动存在一定的相位关系时，扰动加强，形成一种周期性放大涡量脉动 的过程，最后形成一定脉动特性的射流4。 虽然目前对于共振腔的工作机制的解释尚不完整，但其应用已非常广 泛。谐振腔不仅应用于消声装置，也广泛应用于那些需要改善音质的地方， 如音乐厅，歌剧院等。一般来说脉动燃烧器的共振频率的计算公式都是由谐 振腔的计算公式来代替，该式也经常作为脉动燃烧器的尾管设计依据，计算 公式如下： 2 t tc ca f lv (1-1) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 式中 tl尾管长度（m） ； cv燃烧室体积（m3） ； ta尾管截面面积（m2） ； c平均声速（m/s)。 脉动燃烧器的工作频率特性受结构及燃烧工质的特性影响，与公式并不 完全相符，不同的工况下自激产生的脉动特性在较大范围内变化。对于谐振 腔来说，脉动的产生也受制于许多因素，这点与脉动燃烧器是相类似的。两 者也有不同之处，helmholtz 脉动燃烧器不是单纯的声学作用，而是在声、热 相互激励、加强的机制作用下，形成的具有一定脉动特性燃烧过程。 本文的主要内容是对弯尾管 helmholtz 型无阀自激脉动燃烧器流动传热 的实验研究。如图 1-1 所示，helmholtz 型无阀自激脉动燃烧器的工作原理可 以这样解释：燃气与空气自入口进入混合室混合，初步混合的气体进入燃烧 室，为燃烧室的残余的火焰加热点燃，随着燃烧过程的进行，燃烧室内压力 逐渐增大，此时燃烧室燃烧的烟气经过尾管流出，混合室内阻力较大，燃烧 的气体也不会回流，此处混合室起到了机械阀的作用，由于惯性的作用，燃 烧室内压力会减小到负压，使得燃气与空气逐渐吸入，同时一部分烟气回 流，回流的烟气与燃气混合，继续下一个过程，脉动燃烧室内压力的周期性 变化，使得脉动燃烧器能够自行吸入气体并排除烟气，形成具有一定周期的 燃烧过程。 进 气 点 燃 负 压 吸 气 混 合 燃 烧 膨 胀 排 气 图 1-1 脉动燃烧器工作原理示意图 从脉动燃烧器的工作过程可以看出，本文脉动燃烧器有以下独特优点： 首先，混合室代替了机械阀的作用，节省了机械阀，使得燃烧器不仅在经济 上还是使用寿命上，都得到了提高，相对于有阀脉动燃烧器本文燃烧器的负 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 荷调节范围更广；其次，在实验过程中燃烧器的运行稳定，能够采集到较为 稳定的脉动特性参数，相对于尾管燃烧室结构尺寸来说，去耦室体积足够 大，实验过程中并没有产生明显的噪音。 1.3 国外研究现状 到现在为止对脉动燃烧机理的解释和理论模型还不成熟，对于脉动燃烧 器的研究主要集中在其压力、传热特性、排气等方面，相同类型脉动燃烧器 的设计的结构尺寸的变化较大，没有形成一定的设计规范，因此想要定性的 对脉动燃烧器原理进行系统的阐述仍需要在实验及理论上进行更广泛、深刻 的研究。目前对于脉动流作用下的传质传热的研究较多，主要是关于脉动频 率、振幅、流速等参数对换热的影响。 1.3.1 国外研究现状 国外学者大多通过实验和数值模拟的方式对脉动流强化传热进行了研 究，在文献中脉动流作用下强化或减弱换热的两种说法都有提及，且对于层 流的脉动流研究较多，脉动燃烧器作用下管道脉动流的换热的研究较少。 dec 等5通过实验研究了在不同的脉动振幅、频率以及平均流速下的脉 动燃烧器尾管的传热特性。实验结果显示，通过对数平均法计算得到的脉动 努塞尔数，是稳定流的 2.5 倍；努塞尔数的增强与脉动频率、振幅、以及震 荡速度与平均速度的比值有关，入口段对传热的影响可以忽略掉；准稳态理 论不能很好的对脉动流进行准确的预测，因为其不包括频率因素，不能准确 把握脉动流随频率的变化。 he 等6通过在试验中改变脉动湍流的频率、速度振幅及平均速度等因 素，采用双组分激光多普勒风速仪系统，能够测得轴向总体平均速度和湍流 速度波动项的均方根的径向和轴向组成。实验研究的结果表明，速度的振幅 随着频率的变化以相应形式呈现；在较高频率下，湍流核心流域呈现一种冻 结的状态，调制速度振幅不在变化，随着频率的降低而逐渐消失；在脉动流 中，壁面出现调制速度的最大振幅，随着频率的增加而远离壁面，向中心靠 近，均方根脉动速速的轴向和径向分量壁面区域要滞后于中心流域。 elshafei 等7在管道的下游放置了共振器，研究在统一的热负荷下，不同 频率以及雷诺数下，频率范围为 6.6-68hz，雷诺数的范围为 1044104，管 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 道上游下游的换热效果。实验的研究表明,不同条件下，管道换热有可能增强 也可能减弱；对流换热最强烈的地方出现在管道的上游端。 khanafer 等8对脉动层流作用下的后台阶突扩通道混合对流和传热进行 了数值研究。研究采用一系列无量纲参数，如雷诺数，理查逊数，以及无量 纲频率，研究显示努塞尔数随着雷诺数和格拉晓夫数的增大而增大，但是却 随着频率的增大而降低，壁面的摩擦系数随着理查逊数和频率的增加而增 加，随着雷诺数的增加而减少，数值研究的结果可以用来对实验进行比对。 janetzke 等9通过实验研究了在不同斯特劳哈尔数和脉动振幅下的周期性 脉动射流对换热的增强。实验研究的结果显示，在 sr=0.82，较高脉动振幅下 具有最大换热增强，在较低的 sr 数下，换热减弱；在较低的脉动振幅下，只 有较高的 sr 数才能保证有一个正的增长；实验通过 piv 粒子成像测速技术观 察了脉动射流结构下的环形涡，在实验结构下形成的环形涡使得壁面速度与 温度边界层的不断重建，利用表面油膜法说明了涡环传播对边界层的强烈的 相互作用。 ji 等10在相同的脉动振幅下，改变脉动频率、雷诺数、以及阻塞率等因 素，通过实验研究了脉动流道中方柱的传热强化。在实验中发现锁定现象， 且随着雷诺的增加或者阻塞率的降低，锁定现象覆盖更大的参数空间，且增 强了换热，当脉动频率为脱落频率的两倍关系时换热最强；对流换热强化比 受雷诺数与阻塞率影响。 dawsona 等11通过实验研究了在建立有限循环情况之前脉动燃烧器启动 时的 oh 热释放和动态压力的是怎样耦合发展的，实验表明，点火的时间 100ms 可以分为三个部分，点火和衰减，不稳定成长，以及有限次循环的出 现。在点燃区高振幅的脉冲压力波与脉动燃烧器的固有频率相当，在不稳定 增长区的压力场有两种趋势，要么稳定的幅度增长或短延迟间隔然后稳定的 幅度增长，最后成长到极限循环。当处于极限循环下时，热释放和压力脉动 同相，具有高水平的一致性。 sumida12通过实验研究了上游为长直管（保证流动充分发展），下游为 弯管，在脉动流作用下的弯管的流动状态。实验研究结果显示，在管道 15- 35之间速度分布迅速的变化，在所有实验范围内的 womersley 数，当处于速 度最小的相位时，回流出现在上游靠近壁面附近以及弯管下游 15内侧横截 面，在 womersley 为 10 在加速的相位中期轴向速度分布的衰减出现在下游 90截面；随着流速比的增加，回流与衰减现象不在明显，随着迪恩数的增 加，在减速相位，轴向速度 的分布更加复杂；在最大脉动流速与稳态流速 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 相同时，脉动流的入口段长度要短于稳态流动。 nield 等13对平行平板或者圆形管施加一个有一定在平均不为零的时间 谐波幅度脉动的压力梯度，通过扰动法得到了速度、温度分布以及瞬态努塞 尔数的表达式。研究发现当无量纲频率增加时，努塞尔数的波动项的幅值和 相位都在改变，幅值从零到达最大峰值，然后又减小为零，且普朗特数 pr 越 大，峰值越小。在 pr 为 1 时出现一个奇异的温度分布，但是此时的努塞尔数 没有异常。 jin 等14研究了验证脉动流搅动对传热的增强效果，并探讨在一个三角型 槽通道的传热强化的脉动流机制。研究的结果显示，脉动流对传热起到强化 作用，随着雷诺数的增大，传热强化比下降，存在最大强换热比的最佳脉动 频率，雷诺数增加，最佳斯特劳哈尔数减少；脉动强化换热可以看作是旋涡 产生，发展，扩张从槽射流进入主流促进了槽内的流体与主流流体的混合， 当脉动周期与漩涡成长到流入主流的时间相当时，换热效果最好。 zohir 等15在不同雷诺数、管道尺寸、脉动频率以及脉动器位置对脉动 流管道换热强化进行了实验研究。实验研究结果表明，脉动器在上游位置 时，越靠近入口位置，换热强化效果越好；在相同情况下对于不同管径的相 对平均努塞尔数进行了比较发现，大管径的换热强化效果要更好。 zhonghua 等16利用计算流体动力学来研究预测脉动喷雾干燥器的气体流 动状态、气体温度分布、湿度分布以及传热传质特性。研究的结果显示，脉 动流的喷雾干燥具有较大干燥速率和较短的干燥时间的特点；在一个脉动周 期射流的不同时间，液滴干燥的状况不相同；脉动振幅和频率改变喷雾干燥 器的流场，使得干燥的效果更好，当脉动幅度增大到一定值时，对于干燥的 效果改善就不在明显。 xuefeng 等17以数值模拟的方式对脉动流作用下二维恒壁温管道的传热 进行了模拟研究，模拟的结果与相同条件下实验的结果吻合的较好。模拟的 结果显示，在较大沃默斯利数的脉动流作用的管道，其充分发展所需要的管 道长度要低于稳定流动；沃默斯利数与速度振幅对传热的影响较大，在雷诺 数为 25000 时，存在最优沃默斯利数使得换热效果最好；在脉动流速度较大 的时刻或者回流，这些都是增强换热的重要机制。 zbicinski18介绍了脉动燃烧应用于干燥领域的优点，并对应用于干燥的 脉动燃烧器的设计，技术的优缺点做了详细的描述。介绍了若干部门对脉动 燃烧喷雾干燥技术的实验研究，采用激光测量技术精确描述干燥器、喷雾机 构流场和其挥发特性。通过数值模拟计算和实验得出，脉动流对干燥过程的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 加强相对于传统的喷雾干燥要多 3 到 0.25 倍。 thyageswaran19研究了使用计算流体力学（cfd），采用多维模型模拟 在脉动燃烧器尾管的湍流流动，并对结果进行分析，得出在脉动燃烧器中的 流动是复杂的周期性的往复运动，存在与壁面有着较强换热。并介绍了两个 传统的近壁面湍流模型对壁面传热的计算的性能和局限，建议使用一个基于 流动的近壁面模型，并讨论了该模型在振荡流动状况下传热系数的影响。 tang20研究了非预混脉动燃烧热释放脉动对压力脉动的作用机制，火 焰的传播流动是通过高速影相技术、激光多普勒测速仪映射，引起自由基成 像，得出完整的图像，流动显示和速度的测量结果表明，当燃烧室压力小于 反应物供应压力时，燃气射流跟随着空气射流进入混合室，如果此时热量释 放，导致热释放和压力脉动是异相，将使得脉动燃烧器无法维持工作。研究 表明在混合室里复杂的流动和燃烧过程的相互作用导致的混合推迟使的热释 放与压力振荡同相，保证了脉动燃烧器的正常工作。 williams 等21研究了一个完全预混的燃料为甲烷的自激 helmholtz 脉动 燃烧器，在入口混合区域做了改进，改变滞留板位置来研究 nox 的产生。实 验通过时间分辨，和激光板生成的流动形象图，来表示燃烧器中的流场。燃 烧的活动通过循环分辨的化学发光图像来研究。结果表明通过使滞留板远离 入口使得入口混合程度减少将导致测得的 nox 的含量上升。 bloom 等22通过建立一个脉冲燃烧器的集中参量模型，该模型是由含有 一个连续反应流有阀的子模型构成。这个模型的方程式通过傅里叶级数展开 和正则扰动方法展开分析得到速度和压力振动的渐进展开式，正则扰动展开 分析的数值模拟研究得到的信息与脉动燃烧器在不同物理和几何参数变化的 运行状况是有着重要的联系的。 lundgren 等23研究了在两个平行板之间的热机的脉动流动，控制方程式 是在经典的假设条件下，是牛顿流体且满足傅里叶定律，能量平衡方程忽略 黏性耗散项，假定一般运动方程是在横向解析求解。温度场的分析方法可以 用于确定盘子传热，板的传热量的大小是依赖于压力和温度梯度的相差异。 kushari 等24研究了利用脉动燃烧器热解有机废物，表示只有在需要高温 分解的产物必须是低热容量且含有高浓度的氢才能保证其经济性，实验研究 表明，脉动燃烧器的脉冲声压水平受燃料组成影响较小，但当燃料的氢含量 较多时，由于氢燃烧速度较快，导致热释放较早，进而使得脉冲压力水平降 低。 kilicarslan 等25通过实验研究了液化石油气脉动燃烧器声学特性，燃烧 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 器的尾管长度从 1.9m 到 1.3m，间隔为 10cm，分别在距入口和出口一米处端 测量声压，管长为 1.3m 工作频率为 63hz 出口端测得最大声压级为 96.6 分 贝，在入口端的声压级要小于出口端的声压级，并通过声度表，合适的动态 压力传感器，和频谱分析仪对振幅、频率级、进行测量，前两者之间的平均 偏差为 2.4hz，后两者之间的平均偏差为 3.8hz。 1.3.2 国内研究现状 国内对脉动燃烧的研究起步较晚，在实验测量、数值计算等方面都落后 于国外。目前对于脉动燃烧器尾管传热的实验研究较少，部分学者通过实验 研究了脉动流作用下的传热强化，并根据实验结果对影响传热的因素进行定 性的分析，少数人对脉动流作用下的准则数进行拟合回归，可以借鉴参考； 在数值模拟方面大多通过确定若干对脉动燃烧器的声学特性、传热的影响因 素，建立模型，研究流场对传热的影响。 严红等26建立了 rijke 型脉动燃烧器的流动及对流传热模型，并对不同 热量释放进行了模拟，模拟的结果 rijke 声学原理相符合。研究发现，随着 热释放的增大，温度没有明显提升，这是因为热释放增大，速度脉动的幅度 也增大，扰动更为剧烈，导致管内的对流换热增强。 郑海啸27设计了 rijke 管型自激式脉动流化床，利用水冷方式，求得换 热系数，对比了相同工况下脉动与非脉动、流化与非流化换热系数的大小， 实验结果表明脉动流化换热系数要高于脉动不流化，脉动不流化高于非脉动 流化，非脉动不流化换热系数最小。相同条件下，脉动比非脉动时的换热系 数要高 20%40%。 胡玉生28利用 fluent 模拟了二维管道在恒壁温和周期性入口流速下，层 流与湍流两种状态下，工质、频率、振幅对管道流动与换热的影响。模拟的 结果表明在湍流情况下换热强化比随频率的增大先是逐渐增大，然后逐渐降 低，最后趋近于平稳；沿程阻力系数增强比随着频率的增大而增大然后逐渐 降低，然后又升高至稳定值不再变化。 郭烈锦等29对工质为水脉动紊流状态下，在不同频率、振幅条件下的螺 纹管的时均传热系数进行了实验研究，研究表明脉动状态下传热系数要高于 稳态，随着脉动频率增大，时均传热系数逐渐减小，当频率超过一定值以 后，时均传热系数不在变化。随着振幅的增大，时均传热系数由一开始稳 定，而后逐渐增大。实验的频率范围比较窄，且频率值比较低。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 周伟国等30通过实验研究，利用扩音器给稳定气流加上震荡，比较了相 同状况下脉动气流与稳定气流的传热系数，实验结果表明脉动流传热系数高 于稳定流；利用稳定流的努赛尔数计算脉动传热强化比，忽略了频率的影 响，实验结果显示在小于 25hz 时稳定流努塞尔数可以用来计算脉动流传热 强化比，当大于 25hz 时，随着频率的增大，实验值要明显高于理论值。 秦朝葵31从理论与实验两方面对脉动燃烧器尾管传热进行分析。介绍了 目前分析脉动传热的准稳态理论，用稳态的换热关联式计算某一瞬时的换热 系数；从脉动燃烧器尾管传热的实验研究可以看出，实验测得的传热强化比 远高于按照稳态理论的计算值；结合实验，对脉动燃烧器尾管的脉动增强换 热机理做出分析，认为脉动使得流动较早变为湍流，边界层的分离等都是换 热增强的原因。 高虹等32设计了 helmholtz 共振腔，并进行了共振腔强化传热的实验， 比较了不同热功率、不同流速下的传热强化，流量越大，脉动越剧烈，换热 强化比越大；通过改变了共振腔与后喷嘴的尺寸发现在一固定尺寸时，换热 达到最大效果，共振腔尺寸结构也会影响传热。 李保国等33设计制造了 helmholtz 脉动燃烧器，利用脉动燃烧器产生的 脉动气流进行干燥油菜籽的实验研究。实验结果显示，在大功率、高频脉动 气流作用下，油菜籽的干燥速率增加，单位热耗减小；脉动燃烧器尾管后的 干燥管的长度也影响整个脉动燃烧器的运行，在干燥管长度为 1.6m 左右时， 干燥效果最好；比较了不同干燥方法与脉动干燥的 nu 数，脉动状况下的 nu 数显然要大的多。 万勍等34通过实验研究了开式、闭式回路脉动热管的传热性能。实验结 果表明工质、热负荷、充液率、倾斜角度、内径尺寸等都对脉动热管的传热 产生影响，充液率在 50%左右为最佳充液率，底部加热内径越大越好，底部 加热有利于脉动热管的运行；根据实验结果拟合了闭式、开式回路脉动热管 的无量纲传热系数关联式，关联式偏差在 15%以内；通过正交设计方法设计 了极限工况下的闭式、开式回路脉动热管的实验方案，拟合了两种管路的无 量纲传热系数的关联式，偏差在 10%以内。 胡艳华等35使用 fluent 大涡模拟的方法模拟了不同倾角 90弯管的气相 流场，模拟结果显示，倾角不为零的弯管的气相流场的二次流产生的涡流区 域不再对称，弯管内侧的涡强度较大，有利于延缓二次流现象的产生；随着 倾角的增大，弯管出口速度增大，压头损失增大，因此应确定合适的倾角。 湛含辉等36,37通过实验研究与模拟研究了相同长度、不同弯度的弯管的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 压降随迪恩涡的变化，实验与模拟结果吻合的较好。随着主流速度增大弯管 的压降增大，湍流区压降速度明显高于层流；弯管的弯度越大，相同流态下 迪恩数越大，压降越大，在弯曲程度（弯管的半径与曲率半径之比）为 0.105 时，弯管压降却减小。通过实验研究了相同长度 90直管、弯管的传热性 能，实验结果显示，弯管的传热系数一直大于直管，由于迪恩涡的影响，加 强了管内的对流扰动，加强了与壁面间的换热。 杨立军等38设计了一种脉动燃烧加热炉，对其各项性能指标进行了测 量，测得数据显示，脉动燃烧加热炉具有较高的燃烧强度和换热强度，排烟 温度及其污染物排放量都显著降低，脉动燃烧加热炉运行稳定，适合应用。 国内外目前对 helmholtz 型脉动燃烧器的实验和模拟都仅限于直尾管， 对于利用声学或其他方式产生脉动流的研究方式与本文脉动燃烧器中自激脉 动流作用原理有较大差异，而对弯尾管的研究多限于稳定流动的阻力计算， 对于脉动流的弯尾管脉动燃烧器的传热研究只可以拿来参考；对于脉动流作 用下换热的增强减弱的说法，在文献中出现了不同的观点，一般来说当脉动 足够强时，热传递增强，脉动较弱时，可能造成传热的降低。 1.4 课题的主要研究内容 在工程应用中，弯尾管的应用是非常有必要的，目前来说，对于弯脉动 燃烧器运行特性的研究尚处于空白。本文的主要研究内容是通过对直尾管及 不同角度弯尾管脉动燃烧器的实验研究，得到不同